郝　芳

人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床耦合仿生設(shè)計中的應(yīng)用研究

郝芳

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

隨著時代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國有關(guān)機(jī)械工程領(lǐng)域的技術(shù)研究取得了巨大成就。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工程領(lǐng)域必不可缺的關(guān)鍵設(shè)備，它的設(shè)計和應(yīng)用深受社會各界的關(guān)注。目前，我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在差距，特別在動靜態(tài)性能和用戶個性化需求等的方面發(fā)展較為滯后，一定程度上影響了我國工業(yè)的綜合競爭力。以耦合仿生學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的設(shè)計制造過程中，有利于提高數(shù)控機(jī)床整體的性能，推動我國工業(yè)向智能化和自動化轉(zhuǎn)型。

數(shù)控技術(shù)；數(shù)控機(jī)床；人機(jī)工程；耦合仿生；協(xié)同優(yōu)化

1　研究現(xiàn)狀

1.1　人機(jī)工程設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀

人機(jī)工程學(xué)是一門以技術(shù)與人之間的協(xié)調(diào)關(guān)系為研究對象的學(xué)科，強(qiáng)調(diào)遵從以人為本的原則，從外形、結(jié)構(gòu)、功能等方面著手圍繞人的感知和體驗來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計。近年來，我國有關(guān)于人機(jī)工程設(shè)計技術(shù)的研究成果顯著，學(xué)者們通過建立三維模型導(dǎo)入軟件后進(jìn)行仿真，構(gòu)建了相對成熟的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計模式。在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中，通過結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，建立虛擬的人機(jī)交互關(guān)系，針對使用者的個性化需求和特征進(jìn)行了物理層面的人性化設(shè)計，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品操作的便捷性、簡潔性、舒適度大幅度提升，有效提高其生產(chǎn)效率和市場競爭力，充分證明了人機(jī)工程設(shè)計技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中起到的重要作用。

1.2　機(jī)床優(yōu)化設(shè)計方法的研究現(xiàn)狀

優(yōu)化設(shè)計是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，選擇數(shù)值計算軟件進(jìn)行求解，最終獲得設(shè)計目標(biāo)的最優(yōu)解。目前優(yōu)化設(shè)計已廣泛應(yīng)于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計之中，在優(yōu)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)，提升機(jī)床的動態(tài)和靜態(tài)性能方面發(fā)揮了重要的作用。意大利和加大拿的學(xué)者，采用模糊數(shù)學(xué)方法對機(jī)床主軸部件進(jìn)行了優(yōu)化，還通過仿真分析建立了一種可以對機(jī)床給進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的模型，使機(jī)床優(yōu)化設(shè)計的過程更為合理和高效。目前，我國有關(guān)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計方法的研究側(cè)重于通過找尋局部優(yōu)化方式以實現(xiàn)機(jī)床整體的優(yōu)化。例如結(jié)合機(jī)床動態(tài)特點和靈敏度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，采用有限元法對機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；采用多目標(biāo)遺傳算法對加工中心進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)機(jī)床的輕量化設(shè)計；采用CAD技術(shù)完成機(jī)床給進(jìn)系統(tǒng)的建模，以立柱固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，提升機(jī)床的抗震性。

1.3　機(jī)械仿生設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀

機(jī)械仿生設(shè)計是以力學(xué)和機(jī)械學(xué)為基礎(chǔ)，對生物機(jī)制及生物功能進(jìn)行工程分析和仿生設(shè)計，以設(shè)計和制造出結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能優(yōu)越的智能型機(jī)械設(shè)備，是一門涉及工程學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科的綜合性技術(shù)。目前，最前沿的現(xiàn)代機(jī)械仿生設(shè)計技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在智能化機(jī)器人領(lǐng)域，在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計制造中應(yīng)用程度不高，多項技術(shù)還處于研究、試驗階段[1]?，F(xiàn)階段，機(jī)械仿生設(shè)計技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用以提升數(shù)控機(jī)床的操作性能為目標(biāo)，主要涉及構(gòu)建人機(jī)交互化的友好操作環(huán)境，建立可視化的操作系統(tǒng)，模擬圖形加工的虛擬環(huán)境，打造智能化的工作監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域，讓數(shù)控機(jī)床具備高效能、可視化、人性化、幾何仿真等特點，以達(dá)到提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的。

2　存在的問題

通過分析國內(nèi)外人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床耦合仿生技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀可知，雖然已積累一定的研究成果，但大部分還處于理論研究階段。目前，機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域依然沿用傳統(tǒng)設(shè)計理念，嚴(yán)重阻礙了人機(jī)工程學(xué)技術(shù)與耦合仿生技術(shù)的融合發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下方面。首先，人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床耦合仿生設(shè)計中采用的是“人、機(jī)、環(huán)境”三者之間交互作用的機(jī)制，而采用傳統(tǒng)設(shè)計方法難以貫徹該機(jī)制所傳達(dá)的設(shè)計理念，僅僅著重于局部功能的改造，忽略了三者之間的交互關(guān)系，因此設(shè)計制造的機(jī)床產(chǎn)品難以真正滿足用戶的需求。其次，解決數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的多元耦合仿生機(jī)理和實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床綜合性能的協(xié)同化建模，是該技術(shù)研究領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題，但傳統(tǒng)設(shè)計的方法容易忽略兩者之間協(xié)同的重要性，導(dǎo)致設(shè)計方案難以達(dá)到理想狀態(tài)。最后，在傳統(tǒng)方法和觀念的束縛下數(shù)控機(jī)床的多元耦合仿生設(shè)計的程度不高，目前的應(yīng)用僅局限于系統(tǒng)的可視化操作和機(jī)床的自動化檢測等，沒有充分發(fā)揮仿生技術(shù)可以提升機(jī)床力學(xué)性能，使其向輕量化、智能化升級的優(yōu)勢[2]。

3　應(yīng)用原理

3.1　人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用原理

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工程領(lǐng)域常用的加工設(shè)備，應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床設(shè)計的目的就是使其操控更為方便、快捷、高效，為用戶提供更加舒適、安全的操作體驗，讓操作人員在生理和心理上始終能保持良好的工作狀態(tài)。設(shè)計人員要從機(jī)床整體的結(jié)構(gòu)、造型、布局、界面、操作等方面入手，始終遵循“人性化”的設(shè)計原則，針對數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)合理性、操作安全性、使用舒適性等方面進(jìn)行優(yōu)化和升級。

3.2　耦合仿生技術(shù)在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用原理

耦合仿生設(shè)計技術(shù)是仿生學(xué)的重要發(fā)展方向之一，其應(yīng)用原理就是結(jié)合生物的物理、幾何、力學(xué)特性，讓設(shè)計出的產(chǎn)品實現(xiàn)從形似到神似的跨越，使仿生設(shè)計從一元向多元化發(fā)展。目前，耦合仿生設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用側(cè)重于優(yōu)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，針對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床重要結(jié)構(gòu)件體積大、質(zhì)量重的缺點，通過參考生物結(jié)構(gòu)輕巧的特性，應(yīng)用生物結(jié)構(gòu)的構(gòu)型與力學(xué)原理，完成數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，不但讓數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上更加接近于仿生原型，還使其動靜態(tài)綜合性能得到本質(zhì)提升[3]。

3.3　數(shù)控機(jī)床多性能耦合的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計原理

協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的原理就是更好地實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床仿生設(shè)計的多性能耦合，人機(jī)工程學(xué)和耦合仿生設(shè)計技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中應(yīng)用的最終目的都是為了充分發(fā)揮人機(jī)工程學(xué)和耦合仿生設(shè)計技術(shù)的優(yōu)勢，以解決數(shù)控機(jī)床設(shè)計研究領(lǐng)域的難題，使數(shù)控機(jī)床的整個設(shè)計體系趨于系統(tǒng)化、項目化、規(guī)范化。人機(jī)工程學(xué)優(yōu)勢在于遵從“以人為本”設(shè)計原則，從操控性、便捷性入手提升數(shù)控機(jī)床的靜態(tài)和動態(tài)性能，耦合仿生設(shè)計技術(shù)的優(yōu)勢在于建立數(shù)控機(jī)床的仿生性新結(jié)構(gòu)，以體現(xiàn)其節(jié)能性、輕量化、環(huán)保性，協(xié)同優(yōu)化的原則就是積極協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，使產(chǎn)品能夠完整體現(xiàn)出技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢和設(shè)計初衷。

4　應(yīng)用方法

4.1　人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用方法

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計改造以提升設(shè)備的加工性能為目的，往往忽視了其動態(tài)性能和綜合操作性能，而人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用恰好解決了這些不足。首先，設(shè)計人員深入企業(yè)加工車間開展調(diào)研，可掌握一線操作人員對現(xiàn)有的機(jī)床結(jié)構(gòu)、性能和操作的真實感受，并結(jié)合企業(yè)實際的生產(chǎn)需求，制定初步的設(shè)計方案，從設(shè)計上充分考慮數(shù)控機(jī)床的“人性化”需求。其次，設(shè)計人員在設(shè)計時要堅持人機(jī)工程學(xué)“人、機(jī)、環(huán)境”三者之間交互作用的原則，在實施技術(shù)改進(jìn)的過程中充分考慮到數(shù)控機(jī)床使用的便捷性、舒適性要求，保證設(shè)計理念能落到實處。此外，在建模和模擬試驗階段，尤其注意人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用要以數(shù)學(xué)原理、機(jī)械原理、力學(xué)原理為基礎(chǔ)，實現(xiàn)設(shè)計方案與數(shù)控機(jī)床改造目標(biāo)相匹配[4]。

4.2　耦合仿生設(shè)計技術(shù)在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用方法

首先，設(shè)計人員要結(jié)合生產(chǎn)需求，做好仿生對象的選擇工作，深入研究仿生對象在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性能、力學(xué)性能等方面的參照性，結(jié)合數(shù)控機(jī)床設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需求，做好關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集、重要參數(shù)的計算。其次，由于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計中所參照的生物體結(jié)構(gòu)存在著精密性、復(fù)雜性等特點，在設(shè)計時候要充分考慮對其進(jìn)行機(jī)械、力學(xué)、物理改造的可行性，做好計算公式的選擇，仿生結(jié)構(gòu)虛擬模型的建模，改造方案的可行性分析。最后，運(yùn)用CAD/CAE等軟件對仿生結(jié)構(gòu)虛擬模型進(jìn)行動靜態(tài)仿真分析，如若出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象應(yīng)及時進(jìn)行修正。

4.3　數(shù)控機(jī)床多性能耦合的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

首先，設(shè)計人員要通過模擬試驗和仿真分析采集數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)參數(shù)和性能需求，建立目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型。其次，以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用響應(yīng)面法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法建立起一套系統(tǒng)化的優(yōu)化模型，隨后對其進(jìn)行求解[5]。最后，通過應(yīng)用遺傳算法、粒子算法等多種算法，從多種解集中擇優(yōu)選擇最佳解，以提高設(shè)計研究效率，降低設(shè)計成本。

4　結(jié)語

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工程領(lǐng)域必不可缺的關(guān)鍵設(shè)備，目前我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在差距，特別在動靜態(tài)性能和用戶個性化需求等方面發(fā)展較為滯后，一定程度上影響了我國工業(yè)的綜合競爭力。通過總結(jié)國內(nèi)外人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床耦合仿生技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，深入分析了其應(yīng)用原則和應(yīng)用方法，以進(jìn)一步推動數(shù)控機(jī)床耦合仿生設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，讓數(shù)控機(jī)床具備高效能、可視化、人性化、幾何仿真等特點，達(dá)到提升企業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的。

[1] 于澤洋.數(shù)控機(jī)床操作動作分析及工效學(xué)評價研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2019.

[2] 蔡曉宇.人機(jī)工程學(xué)原理在數(shù)控機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用與研究[J].南方農(nóng)機(jī),2018,49(8):55.

[3] 劉桂芝,楊文亮,牟娟.人機(jī)工程學(xué)原理在數(shù)控機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用與研究[J].機(jī)械制造與自動化,2017,46(3): 28-30.

[4] 明富升.人機(jī)工程學(xué)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國高新區(qū),2017(10):117.

[5] 徐學(xué)彬,苗雨楠.人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床人性化設(shè)計中的應(yīng)用探究[J].時代農(nóng)機(jī),2016,43(11):18-19.

Application of ergonomics in coupled bionic design of CNC machine tools

HAO Fang

(Xinxiang Vocational and Technical College, Xinxiang, Henan 453000, China)

With the development of science and technology, the technical research of mechanical engineering in China has made great achievements. CNC machine tool is a key equipment in mechanical engineering, and its design and application have attracted great attention. At present, there are gaps in the design technology of CNC machine tools between China and developed countries, especially in the aspects of dynamic and static performance and personalized needs of users, which affect the comprehensive competitiveness of China's industry to some extent. Based on coupled bionics technology, ergonomics is applied to the design and manufacturing process of CNC machine tools, which is beneficial to improving the overall performance of CNC machine tools and promoting the transformation of intelligence and automation in China's industry.

CNC technology; numerical control machine; ergonomics; coupled bionics; collaborative optimization

TG659

A

2096–8736(2022)06–0027–03

郝芳(1986—)，女，大學(xué)本科，講師，主要研究方向為機(jī)械工程。

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立